Torben Rosenørn Aalborg Universitet Campus Esbjerg 1
Definition af syrer En syre er et stof som kan fraspalte en proton (H + ). H + optræder i vand sammen med et vandmolekyle (H 2 O) som H 3 O + Syrer smager surt som kendt fra mavesyre (HCl) og eddike og citronsyre, som begge er organiske syrer. En opløsnings surhed måles i ph. ph skalaen går fra 0 til 14, hvor 7 er neutralt svarende til ph i rent vand. Jo mere sur opløsningen er jo lavere er ph. (0 7) Nogle almindelige uorganiske syrer Navn Formel Syrerest navn Syrerest formel Svovlsyre H 2 SO 4 Sulfat 2- SO 4 Salpetersyre HNO 3 Nitrat - NO 3 Saltsyre HCl Chlorid Cl - Phosphorsyre H 3 PO 4 Phosphat 3- PO 4 Svovlbrinte H 2 S Sulfid S 2- kulsyre H 2 O + CO 2 Carbonat 2- CO 3 Definition af baser En base er et stof, som kan optage en proton (H + ). Baser optræder i vand altid ved at fraspalte hydroxydjoner (OH - ). Baser smager bittert (snerpende) som at bide i et stykke gammeldags håndsæbe. Jo mere basisk en opløsning er jo højere er dens ph værdi (7 14) De fleste baser indeholder en metaljon og en hydroxydjon. Salte Syrer og baser reagerer med hinanden under dannelse af salt og vand. Et salt kommer så til at bestå af metaljonen fra basen og syrerestjonen fra syren. Saltene navngives efter metallets navn sat sammen med syrerestens navn. Grundligningen for syre-base reaktionen er: H + + OH - H 2 O 2
I virkeligheden er der tale om en ligevægt således at der altid er nogle få H + (H 3 O + ) og OH - i vandet. Et eksempel på en reaktion mellem en syre og en base: 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2 H 2 O Saltet hedder så natriumsulfat efter metaljonen natrium og svovlsyrens syrerest sulfat. Køkkensalt er det samme som natriumchlorid. Salte anvendes til mange forskellige ting, herunder kunstgødning, medicin, farvepigmenter i maling, garvning osv. Reaktionsligninger Når man ønsker at blande to stoffer sammen for at danne et eller flere nye stoffer beskrives dette ved hjælp af en reaktionsligning. Reaktionsligningen er opbygget således at der altid er lige mange atomer af hver slags på begge sider af reaktionspilen. På venstre side opskrives, hvilke stoffer man blander, så kommer reaktionspilen og på højre side af reaktionspilen skrives, hvilke stoffer der dannes. Det er ikke alle stoffer men kunne finde på atr blande, som vil reagere med hinanden, for eksempel vil der normalt ikke ske noget ved at blande stærke syrer med stærke syrer eller stærke baser med stærke baser, mens en blanding af stærk syre med stærk base vil reagere kraftigt under dannelse af et salt og vand. Lad os se på reaktionsligningen for natriumhydroxyd og svovlsyre: 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2 H 2 O Hvorfor kom den ligning til at se sådan ud? Vi har her fat i en syre-base reaktion, og vi ved at reaktionsligningen mellem syrer og baser grundlæggende styres af reaktionen H + + OH - H 2 O Det vil sige at en syrebrint jon reagerer med en hydroxydjon. Samtidig ved vi at syrerestjonen og metaljonen danner et salt. Vi starter så med at opskrive stofferne som indgår og danne i reaktionen NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O 3
Formelen for natriumsulfat Na 2 SO 4 fremkommer ved at vi ved at natrium har en positiv ladning (står i 1. Hovedgruppe) og sulfaten har 2 negative ladninger. Stofferne er uelektriske, så derfor må der 2 natrium til en sulfat. Ligningen betragtes nu (med de rigtige formler for stofferne) ud fra syre og bse reaktionen. Natriumhydroxyd indeholder en OH - jon og svovlsyren indeholder 2 H + (H 3 O + ) joner. Reaktionsligningen H + + OH - H 2 O Angiver at hydrogenjonerne og hydroxydjonerne reagerer 1:1 altså skal der 2 natriumhydroxyd til en svovlsyre. Dette føre så ind i reaktionsligningen: 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O Vi skal nu kontrollere at der er lige mange atomer af hver slags på begge sider af reaktionspilen Kontrol: 2 Na på begge sider OK! 1 S på begge sider OK! 4 H på venstre side 2 på højre side IKKE OK!! Vi skal have mere H på højre side. Dette kan kun ske ved at der kommer mere vand. Vi mangler 1 H 2 O for at H passer. 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2 H 2 O Nu ved vi at alt passer undtagen O. Va kan så kontrollere ligningen ved af kontrollere O. Kontrol: 6 O på begge sider OK! Det vil sige at vi har nået den endelige reaktionsligning. 4
Mængdeberegninger: Når vi nu kan opskrive reaktionsligningerne, kan vi også beregne i hvilket mængdeforhold stofferne reagerer med hinanden. Vi ve jo at stofferne vejer forskelligt, men vi ved også hvor mange molekyler af det ene stof der reagerer med hvor mange molekyler af det andet stof o.s.v. Det betyder, at mængden af stoffer der reagerer med hinanden er afhængigt af stoffernes vægt (molekylmasse eller for nemheds skyld molmasse). Molmasse er defineret som massen af et molekyle i atomvægtenheder. Det er en meget lille størrelse, som ikke er særlig relevant at regne med i prsksis, da vi altid har rigtigt mange molekyler i brug. Derfor bruger vi også betegnelsen et grammol ( gmol) af stof (6,03. 10 23 molekyler et sekstal med 23 nuller bagved). Et grammol vejer det antal gram stoffets molmasse angiver. Molmassen af et stof fremkommer som summen af masserne af kernepartiklerne i stoffets indgående grundstoffer, hvilket også tilnærmelsesvis er lig med antallet af kernepartikler i de indgående atomer. Eksempel: Natrium (Na) er stof nummer 11, hvilket betyder at det har 11 protoner i kernen. I det Periodiske System ser man at den har massetalet 23, hvilke3t betyder, at der er 12 yderligere kernepartikler. Disse kernepartikler er neutronerne. Et natriumatom vejer således ca 23 atommasseenheder (a.m.e) og 6,03. 10 23 natriumatomer vejer så ca 23 gram. Isotoper Nu er det imidlertid også sådan at de forskellige grundstoffer kun forekommer i en form. Der kan være forskelligt antal kernepartikler i kernen. Stoffer med samme antal protoner i kerne og forskelligt antal neutroner kaldes isotoper af grundstoffet, Et eksempel som tydeligt viser dette er klor, som har en molmasse angivet i det periodiske sytem på 35,45 g/mol. Klor har atomnummer 17 hvilket betyder, at der er 17 protoner i kernen. Så må der altså være ca 35,45 17 neutroner = 18,45 neutroner. Nu kan vi ikke have dele af neutroner, altså må vi kunne konkludere, at der er forskellige atomer af klor, nogen med 17 neutroner og nogen med 18, 19 eller 20 neutroner. De 17 protoner står fast, hvis det er klor. 5
Mængdeberegning med natrium og klor Natrium står i første hovedgruppe, hvilket betyder, at den gerne vil afgive en elektron, mens klor står i 7. Hovedgruppe og gerne vil optage en elektron. Vi må så forvente af natrium og klor reagerer 1:1 atom. Natrium forekommer som Na atomer, mens klor forekommer som Cl 2. Det vil så betyde, at der skal 2 natriumatomer til at reagere med et klormolekyle. 2Na + Cl 2 2 NaCl De forskellige atomer i reaktionen har forskellig molekylmasse(atommasse) Chlor vejer 35,5 ame (atommasseenheder) Eller mere parktisk 1 gmol Cl vejer 35,5 g Natrium vejer 23 atommasseenheder eller mere praktisk som ovenfor 1 gmol Na vejer 23 g Natriumchlorid vejer altså 58,5 ame. (1 gmol NaCl vejer 58,5 g) Til beregning laver vi så et skema som kan sammenholde oplysningerne Spørgsmål: hvor meget NaCl dannes ad brug af 46 g Na og den ekvivalente mængde Cl 2? (Ekvivalent betyder netop den mængde der passer til reaktionen) Først laver vi skemaet og indsatter forholdet mellem de reagerende molekyler. Forholdene mellem indgående gmol skal være de samme. 2 Na + Cl 2 2 NaCl g molmasse gmol Herefter indsætter vi molmasserne 6
2 Na + Cl 2 2 NaCl g molmasse 23 71 58,5 gmol Så indsættes kendte masser her 46 g Na 2 Na + Cl 2 2 NaCl g 92 molmasse 23 71 58,5 gmol Antallet af gmol findes ved at dividere massen med molmasser her 46/23 = 2 dette indsættes 2 Na + Cl 2 2 NaCl g 92 molmasse 23 71 58,5 gmol 4 7
Antal gmol afstemmes 2 Na + Cl 2 2 NaCl g 92 molmasse 23 71 58,5 gmol 4 2 4 De manglende masser beregnes ved af gange antal gmol med den tilhørende molmasse 2 Na + Cl 2 2 NaCl g 92 142 234 molmasse 23 71 58,5 gmol 4 2 4 Som kontrol beregnes de samlede masser på begge sider af reaktionspilen. Da der hverken opstår eller forsvinder stof ved kemiske reaktioner skal summen af indgående masser på venstre side af pilen være lig summen af masser på højre side af pilen. Kontrol: 92 g + 142 g =? 234 g Dette er rigtigt. Altså har vi regnet rigtigt. 8
Anvendt matematik: Forholdsregning og 1 ligning med 1 ubekendt. 9
Væsker og gasser. I den kemiske verden arbejder vi ofte med væsker, når vi skal lave reaktioner. Væsker er nemmere at blende end fastestoffer og man får normalt lettere reaktionerne til at foregå nå molekylerne er spredt. På faste stoffer sker reaktionerne på overfladen af partiklerne, når de er opløst sker reaktionerne overalt i væsken. Når en væske indeholder et gmol af et stof i 1 liter (stof og væske tilsammen) siges væsken at være 1 molær. 1 liter 2 molær NaOH indeholder således 2 gmol NaOH. Molmassen af NaOH er 40, dvs at 1 liter indeholder 2 gmol NaOH svarende til 80 g NaOH. Man kan altså altid regne stofmængden ud i en given væske hvis man kender volumenet og molatriteten. Det benytter man sig af ved titrering. Brug laboratorieforsøgsresultater i en beregning af dannet NaCl fra en titrering af NaOH med HCl. (lav selv eksempel) 10
Et gmol af en gas fylder ved stuetemperatur (20 grader celcius ) og 1 atmosfæres tryk ca 24 liter. Man kan altså også beregne masseindholdet af stof i et give volumen luft når tryk og temperatur kendes. (lav selv eksempel) Hvor meget CO 2 er der i en kubikmeter gas som udelukkende består af CO 2 ved 20 o C og 1 atmosfæres tryk? 11